海上風(fēng)電復(fù)合筒型基礎(chǔ)抗波浪液化研究

鄧斌，張金鳳，王利華

1 研究背景

近些年來，風(fēng)能發(fā)電得到了越來越多的發(fā)展。但是海上風(fēng)電基礎(chǔ)周圍的海床在波浪循環(huán)荷載作用下，可能會(huì)發(fā)生液化現(xiàn)象，危及上部結(jié)構(gòu)物的安全。因此，波浪作用下的海床抗液化措施的研究不可忽視。

許多學(xué)者對(duì)海床抗液化措施進(jìn)行了物理模型和數(shù)值模擬研究。Madabhushi[1]通過動(dòng)態(tài)離心機(jī)建模，分別研究土壤致密化、排水管和土壤灌漿的方法來增強(qiáng)土體液化抗性。Sumer[2-3]等通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用覆蓋塊石來增加波浪作用下的海床抗液化強(qiáng)度主要取決于塊石的厚度和覆蓋塊石的孔隙率，并且用水槽實(shí)驗(yàn)研究了液化回填土中巖石護(hù)坡的穩(wěn)定性。Susana和Rafeal[4]通過有限元模型研究表明密實(shí)法能有效地加強(qiáng)土體抗液化能力，減緩地基沉降。

復(fù)合筒型風(fēng)電基礎(chǔ)周圍土體的動(dòng)力響應(yīng)也逐漸有學(xué)者開始研究。肖金龍等[5]研究了海上風(fēng)電復(fù)合筒型結(jié)構(gòu)周圍土體動(dòng)力響應(yīng)，但結(jié)構(gòu)物與土體接觸上采用的是完全粘結(jié)接觸，對(duì)真實(shí)情況的模擬不足。于聰?shù)萚6]利用OpenFOAM和有限元軟件ABAQUS耦合，建立風(fēng)電基礎(chǔ)周圍海床動(dòng)力響應(yīng)模型，但模型只將波壓傳遞給土體，沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)波浪與土體相互作用的模擬。

本文將采用基于開源軟件OpenFOAM建立的CFD-CSD耦合模型[7]，求解波浪作用下海床動(dòng)力響應(yīng)及波浪-結(jié)構(gòu)物-海床相互作用（Wave-Structure-Seabed Interaction，簡(jiǎn)稱WSSI）的問題，來研究上覆塊石對(duì)海床土體的抗液化效果。

2 模型設(shè)置

本文采用陳寶清等[7]基于OpenFOAM中的兩相流模型和Biot固結(jié)方程建立的CFD-CSD耦合模型，且在兩相流模型中添加源項(xiàng)進(jìn)行造波。其中CFD模型控制方程采用RANS方程，并采用VOF法捕捉水體自由表面，CSD控制方程為Biot固結(jié)方程，模型已得到了很好的驗(yàn)證。本文將采用CSD-CFD耦合模型建立海上風(fēng)電復(fù)合筒型基礎(chǔ)周圍的海床動(dòng)力響應(yīng)模型，分析基礎(chǔ)周圍海床在波浪力作用下的動(dòng)力響應(yīng)，來研究上覆塊石對(duì)海上風(fēng)電基礎(chǔ)周圍海床的抗液化效果。

2.1 數(shù)值模型參數(shù)設(shè)置

波浪數(shù)值模型采用的波浪及水深條件為江蘇省鹽城市響水地區(qū)風(fēng)電機(jī)組項(xiàng)目實(shí)際情況的水文條件；波高采用50 a一遇有效波高3.26 m，平均周期8.58 s，波長(zhǎng)87.24 m，極端高水位2.28 m。

根據(jù)以上波浪及水深條件，波浪數(shù)值水槽的具體設(shè)置如下：造波中心位于水槽左側(cè)2.5倍波長(zhǎng)即2.5L=218.1 m處，造波區(qū)為1倍波長(zhǎng)即87.24 m；水槽左側(cè)2倍波長(zhǎng)區(qū)域?yàn)橄▍^(qū)，以消除邊壁反射波對(duì)水槽內(nèi)波浪穩(wěn)定性的影響，提高模擬精度；同理，水槽右側(cè)2倍消波區(qū)；風(fēng)電基礎(chǔ)應(yīng)位于距造波區(qū)一定距離波浪穩(wěn)定處，設(shè)于距水槽左側(cè)500 m處。

水槽寬度應(yīng)為風(fēng)電基礎(chǔ)寬度加上一定富裕寬度，以減弱邊壁波浪反射對(duì)于水槽內(nèi)波浪的影響，取為60 m。風(fēng)電基礎(chǔ)應(yīng)相對(duì)于水槽寬度對(duì)稱布置，即風(fēng)電基礎(chǔ)中心坐標(biāo)為（500，15，30）。具體見圖 1。

圖1 數(shù)值模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the numerical model

海床土體長(zhǎng)度方向取為200 m，對(duì)稱于風(fēng)電基礎(chǔ)處布置。高度方向?yàn)轱L(fēng)電基礎(chǔ)下部薄壁筒體的高度加上一定的富裕高度，取為15 m，寬度方向取水槽寬度60 m。取第1層粉土參數(shù)代表全部土體參數(shù)，且將土體設(shè)為各向同性，以垂向滲透系數(shù)代表土體滲透系數(shù)。

為研究塊石層堆積厚度和堆積密度對(duì)抗液化效果的影響，土體和塊石的參數(shù)設(shè)置參考Sumer[2]的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)置，本文設(shè)置了3組不同的算例，具體設(shè)置見表1。

表1 海床土體和上覆塊石的參數(shù)Table 1 Parameters of soil and stone of seabed

2.2 網(wǎng)格劃分

先采用ICEM CFD網(wǎng)格“自上而下”（Up Bottom）的畫法，以及2D-Block沿法向均勻拉伸變?yōu)?D-Block法分別建立水槽和土體網(wǎng)格。再使用snappyHexMesh將風(fēng)電基礎(chǔ)導(dǎo)入水槽和海床模型，并在海床土體模型基礎(chǔ)上設(shè)置塊石層區(qū)域，如圖2所示。圍繞風(fēng)電基礎(chǔ)外緣鋪設(shè)5 m寬塊石層，圖中環(huán)形填充區(qū)域?yàn)閴K石覆蓋區(qū)域，塊石層為孔隙結(jié)構(gòu)參與計(jì)算。

圖2 模型網(wǎng)格示意圖Fig.2 Schematic diagram of the model grid

3 海床動(dòng)力響應(yīng)分析

本文選取Ye[8]判別標(biāo)準(zhǔn)判斷海床的液化情況。Ye給出了考慮土體黏聚力及庫倫摩擦的液化判別標(biāo)準(zhǔn)：

式中：滓z憶、滓x憶、滓y憶為總有效應(yīng)力分量，包括初始有效應(yīng)力和由波浪引起的動(dòng)有效應(yīng)力，即滓z憶=滓z0憶+滓zd憶；c表示土體黏聚力；漬為土顆粒內(nèi)摩擦角；u（x）為單位階梯函數(shù)，即當(dāng) x逸0 時(shí)，u（x）=1，當(dāng) x<0 時(shí)，u（x）=0。式（1）中加入 u（x）函數(shù)的物理意義為：當(dāng)土顆粒在水平方向不受壓時(shí)，庫倫摩擦及黏聚力對(duì)抗液化的貢獻(xiàn)為0。由于波浪導(dǎo)致的海床液化多發(fā)生于波谷下方，故本文選取B、C、D三個(gè)測(cè)點(diǎn)（位置見圖2）在波谷作用下的動(dòng)力響應(yīng)情況進(jìn)行分析，并將其和未鋪設(shè)塊石層情況進(jìn)行對(duì)比。本節(jié)給出B測(cè)點(diǎn)的結(jié)果如圖3和圖4所示，圖3給出了B測(cè)點(diǎn)在不同算例下的超靜孔隙水壓力分布情況，圖4給出了B測(cè)點(diǎn)在不同算例下豎向動(dòng)有效應(yīng)力分布情況。

圖3 測(cè)點(diǎn)B超靜孔隙水壓力垂向分布Fig.3 Vertical distribution of excess pore-water pressure at point B

圖4 測(cè)點(diǎn)B豎向動(dòng)有效應(yīng)力垂向分布Fig.4 Vertical distributions of dynamic effective stress in Y-direction at point B

各測(cè)點(diǎn)超靜孔隙水壓力垂向上的分布都是在土體表層附近快速衰減，然后達(dá)到-0.8 m深度后趨于穩(wěn)定，其中測(cè)點(diǎn)B處超靜孔隙水壓力衰減幅度最大（如圖3所示），即風(fēng)電基礎(chǔ)迎浪側(cè)。但各測(cè)點(diǎn)在鋪設(shè)塊石前后差異不大，鋪設(shè)塊石后孔隙水壓力的衰減速度略有增加，算例2略小于算例3，而海床表面超靜孔隙水壓力在鋪設(shè)塊石前后基本無變化?？梢姡佋O(shè)塊石層抗液化的原理只在于提高超靜孔隙水壓力的衰減速率。

各測(cè)點(diǎn)豎向動(dòng)有效應(yīng)力的整體趨勢(shì)都是在土體表層附近快速增加，然后在-0.8 m深度后趨于定值，其中測(cè)點(diǎn)B處豎向動(dòng)有效應(yīng)力增加值最大（如圖4所示）。各測(cè)點(diǎn)在鋪設(shè)塊石前后豎向動(dòng)有效應(yīng)力有明顯減小，相比于不覆蓋塊石的算例1，算例2中豎向動(dòng)有效應(yīng)力最大值減小約900 Pa，算例3中減小約3 000 Pa。豎向動(dòng)有效應(yīng)力在鋪設(shè)塊石前后有明顯變化，可推知鋪設(shè)塊石抗液化原理在于改善波浪作用下海床土體有效應(yīng)力分布情況。一方面是通過增加了初始有效應(yīng)力從而增加了土體強(qiáng)度，另一方面是減小了由波浪荷載產(chǎn)生的動(dòng)有效應(yīng)力。

4 最大液化深度分析

參照韓濤等[9]分析海床最大液化深度的方法，最大液化深度計(jì)算公式為 zlc= 渣-p0/酌憶s渣，其中p0為作用在波浪表面的動(dòng)水壓力，酌憶s為土的浮重度。

圖5~圖8給出了算例3在不同時(shí)刻下海床的最大液化深度分布。其中，t0為波峰到達(dá)測(cè)點(diǎn)A（見圖2）的時(shí)刻，圖中虛線圈為風(fēng)電基礎(chǔ)外邊緣，實(shí)線圈為塊石層外邊緣。

圖5 在t=t0時(shí)刻作用下海床液化分布（算例3）Fig.5 Liquefactiondistribution of the seabedat t=t0(test 3)

圖6 在t=t0+T/4時(shí)刻作用下海床最大液化深度分布（算例3）Fig.6 Maximum liquefaction distribution of the seabed at t=t0+T/4(test 3)

圖7 在t=t0+T/2時(shí)刻作用下海床最大液化深度分布（算例3）Fig.7 Maximum liquefaction distribution of the seabed at t=t0+T/2(test 3)

圖8 在t=t0+3T/4時(shí)刻作用下海床最大液化深度分布（算例3）Fig.8 Maximum liquefaction distribution of the seabed at t=t0+3T/4(test 3)

海床僅在波谷作用區(qū)域液化，在單個(gè)波谷作用范圍下發(fā)生液化的土體寬度約為30 m。對(duì)比抗液化措施前后，算例1塊石覆蓋區(qū)域的迎浪側(cè)最大液化深度0.9 m，背浪側(cè)最大液化深度0.9 m；算例2中塊石覆蓋區(qū)域的迎浪側(cè)最大液化深度0.8 m，背浪側(cè)最大液化深度0.7 m。在算例2中塊石覆蓋區(qū)域依舊存在液化現(xiàn)象，但液化深度小于算例1中未鋪設(shè)塊石時(shí)，而算例3中塊石覆蓋區(qū)域不發(fā)生液化，抗液化效果最為顯著。分析可知，塊石層堆積越厚，抗液化效果越顯著。

5 結(jié)語

本文通過采用基于開源軟件OpenFOAM建立的CFD-CSD耦合模型，來研究波浪作用下的海上風(fēng)電復(fù)合筒型基礎(chǔ)周圍海床的抗液化效果。通過數(shù)值模擬海床表面上覆塊石對(duì)抗液化的效果，得出上覆塊石的厚度是抗液化的重要參數(shù)。當(dāng)塊石厚度越大，抗液化的效果越好。鋪設(shè)塊石防液化的原理在于減小海床動(dòng)有效應(yīng)力，而與海床超靜孔隙水壓力無關(guān)。而其它的上覆塊石抗液化影響因素還需要進(jìn)一步的研究探索。

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